JP5108416B2 - 床下暖房システム - Google Patents

Description

本発明は、床下を閉鎖空間とした基礎断熱住宅において、顕熱蓄熱体を利用し、床下空間内に温風を対流させることで床上の室内空間を暖房する床下暖房システムに関するものである。

一般に比較的温暖な地域の住宅では、床下に換気口を設けて床下空間を開放した床裏断熱工法が採用されている。しかし、床裏断熱式の住宅では、夏期において高温高湿な空気が低温環境の床下に侵入することで床下結露が発生し、躯体寿命を縮めてしまうという危惧がある。このため、専ら寒冷地で採用されていた高断熱・高気密住宅、すなわち住宅の床下換気口を閉鎖して床下外周部を断熱することで床下を閉鎖空間とした基礎断熱住宅が、温暖地でも採用されつつある。

一方、このような基礎断熱住宅において、例えば特許文献１に開示されているように、閉鎖された床下空間内に放熱器を設置し、前記床下空間を加温することで床上の室内空間を暖房する床下暖房システムが知られている。かかる床下暖房システムとして、温風の吹き出しダクトを備えるヒートポンプエアコン（暖房設備）を用い、前記ダクトから吹き出される温風を床下空間に対流させる空気対流式のシステムが、設備規模やコスト面、安全面において優れていることから注目されている。さらに、安価な夜間電力を利用して、潜熱蓄熱材又は顕熱蓄熱材のような蓄熱材を放熱源として当該床下暖房システムに組み込むことも検討されている。
特開２００１−２０１０７５号公報

蓄熱材を具備する床下暖房システムを構築する場合、例えば夜間電力時間帯にヒートポンプエアコン（温風送風機）を稼働させ、温風を吹き付けて蓄熱材を加温し、昼間の時間帯に前記蓄熱材に蓄熱させた熱を送風機で床下空間内に拡散供給させる手法が考えられる。ここで、蓄熱材として顕熱蓄熱材を用いる場合、該顕熱蓄熱材の蓄熱温度は吹き付ける温風の温度に依存する。従って、夜間電力時間帯という限られた時間帯に、ヒートポンプエアコンを如何なる吹き出し風量、吹き出し温度で稼働させるかが、高効率でコストパフォーマンスの良いシステム運用のために不可欠である。

本発明は上記の要請に鑑みてなされたもので、顕熱蓄熱材を放熱源として用いた基礎断熱住宅の床下暖房システムにおいて、顕熱蓄熱材に熱を与える温風送風機の運転条件を最適化できるようにすることを目的とする。

本発明の一の局面に係る床下暖房システムは、居室の床下を閉鎖空間とした基礎断熱住宅に適用される床下暖房システムであって、前記床下空間内に配置される顕熱蓄熱体と、前記顕熱蓄熱体に温風を吹き付けて蓄熱させる温風送風機と、前記温風送風機の吹き出し風量、吹き出し温度及び稼働時間を含む動作条件を制御可能な制御部と、を備え、前記動作条件は、前記居室への熱供給が前記床下のみから行われると想定したときの、前記温風送風機の稼働時における前記居室の熱収支を示す下記（１）の条件式と、前記熱収支に基づいて、所定の外気温で前記温風送風機を稼働させた状態における、前記居室を所定の設定温度とするための目標床下温度を示す下記（２）の条件式と、から導かれ、前記温風送風機が確定した稼働時間ｈで稼働される場合に、前記顕熱蓄熱体が前記温風送風機の吹き出し温度で加温され前記床下に熱が供給されると想定した場合における、前記目標床下温度を達成するために必要な熱量を示す関係式であって、前記吹き出し風量、吹き出し温度及び稼働時間を変数として含む下記（３）の条件式に基づいて決定されることを特徴とする。

この構成によれば、顕熱蓄熱体に温風を吹き付けて蓄熱させる温風送風機の動作条件が、上記（１）〜（３）の条件式に基づいて決定される。すなわち、居室の熱収支に立脚して目標床下温度を設定し、これに必要な熱量を求めた上で、温風送風機の吹き出し風量、吹き出し温度及び稼働時間が決定される。従って、個々の基礎断熱住宅の居室の条件に応じて、最適な温風送風機の運転条件を設定することができる。

本発明の他の局面に係る床下暖房システムは、居室の床下を閉鎖空間とした基礎断熱住宅に適用される床下暖房システムであって、前記床下空間内に配置される顕熱蓄熱体と、前記顕熱蓄熱体に温風を吹き付けて蓄熱させる温風送風機と、前記温風送風機の吹き出し風量、吹き出し温度及び稼働時間を含む動作条件を制御可能な制御部と、を備え、前記動作条件は、前記居室への熱供給が前記床下のみから行われると想定したときの、前記温風送風機の稼働時における前記居室の熱収支を示す下記（１）の条件式と、前記熱収支に基づいて、所定の外気温で前記温風送風機を稼働させた状態における、前記居室を所定の設定温度とするための目標床下温度を示す下記（２）の条件式と、から導かれ、前記温風送風機の稼働時に、前記顕熱蓄熱体が前記温風送風機の確定した吹き出し温度で加温され前記床下に熱が供給されると想定した場合における、前記目標床下温度を達成するために必要な熱量を示す関係式であって、前記吹き出し風量、吹き出し温度及び稼働時間を変数として含む下記（４）の条件式に基づいて決定されることを特徴とする。

この構成によれば、顕熱蓄熱体に温風を吹き付けて蓄熱させる温風送風機の動作条件が、上記（１）、（２）及び（４）の条件式に基づいて決定される。すなわち、居室の熱収支に立脚して目標床下温度を設定し、これに必要な熱量を求めた上で、温風送風機の吹き出し風量、吹き出し温度及び稼働時間が決定される。従って、個々の基礎断熱住宅の居室の条件に応じて、最適な温風送風機の運転条件を設定することができる。

上記構成において、蓄熱状態にある顕熱蓄熱体に送風することで、前記顕熱蓄熱体に蓄熱された熱の放熱を促進させる送風機をさらに備えることが望ましい。この構成によれば、顕熱蓄熱体に蓄熱された熱を床下空間内に速やかに拡散させることができる。

上記いずれかの構成において、前記制御部は、前記温風送風機を夜間電力時間帯に稼働させることが望ましい。

本発明に係る床下暖房システムによれば、個々の基礎断熱住宅の居室の条件に応じて、最適な温風送風機の運転条件を設定することができる。従って、顕熱蓄熱材を放熱源として用いた基礎断熱住宅の床下暖房システムにおいて、高効率でコストパフォーマンスの良いシステム運用を図ることができる。

以下、図面に基づいて、本発明の具体的な実施形態につき説明する。図１は、本発明の実施形態に係る床下暖房システムの住宅Ｈへの適用状態を概略的に示す図である。この住宅Ｈは、居室１１と床下１２とが床板１３で仕切られてなり、床下１２の空間が閉鎖空間とされた基礎断熱住宅である。本実施形態の床下暖房システムは、床下１２の空間に配置された、蓄熱ユニット２、温風送風機３及び送風機４を備えている。

蓄熱ユニット２は筐体構造を備え、該筐体内には顕熱蓄熱体が収納されていると共に、この顕熱蓄熱体に対する蓄熱若しくは顕熱蓄熱体からの放熱をエアフローで行わせるためのエアダクトが形成されている。

温風送風機３は、常温よりも高い温度の温風を吹き出すことができる装置であり、蓄熱ユニット２の顕熱蓄熱体を蓄熱させる役目と、床下１２の空間を暖めることで居室１１を暖房する役目を果たす。温風送風機３の温風吹き出し口は、ダクト３１を介して蓄熱ユニット２の前記エアダクトの入口側に接続されており、温風送風機３が稼働されると、前記エアダクトに温風が送り出される。この温風は、蓄熱ユニット２内の顕熱蓄熱体に熱を与えた上で、図中矢印で示すように、前記エアダクトの出口側から床下１２の空間へ吹き出される。従って、顕熱蓄熱体と熱交換後の残熱をもつ温風によって床下１２は加温され、この熱によって居室１１が暖房される。

送風機４は、所定の風速で送風を行うことができる装置であり、蓄熱ユニット２の顕熱蓄熱体に蓄熱された熱の放熱を促進させる役目を果たす。送風機４の送風口は、ダクト４１を介して蓄熱ユニット２の前記エアダクトの入口側に接続されており、送風機４が稼働されると、前記エアダクトに常温の空気（床下１２の空気）が送り出される。この空気は、顕熱蓄熱体が蓄熱状態にある場合に該蓄熱体の表面から熱を奪い、前記エアダクトの出口側から床下１２の空間へ吹き出される。従って、顕熱蓄熱体が蓄熱状態であるときは、温風送風機３を稼働させることなく、送風機４を稼働させることによって床下１２の空間を暖めることが可能である。

図２は、本実施形態に係る床下暖房システムの電気的構成を示すブロック図である。床下暖房システムは、上述の温風送風機３及び送風機４に加えて、制御部５と、操作部６とを備えている。制御部５は、温風送風機３及び送風機４の動作を制御するものであって、機能的に温風送風機制御部５１、送風機制御部５２及びデータ記憶部５３を備える。

温風送風機制御部５１は、温風送風機３からの温風の吹き出し風量、吹き出し温度及び稼働時間を含む動作条件を制御する。この動作条件については、後記で詳述する。温風送風機３が電気的に温風を生成する機構をもつ場合、一般に熱の発生に多くの電力量を要する。このため温風送風機制御部５１は、温風送風機３を電力料金が比較的安価な夜間電力時間帯（２３時〜７時）に稼働させる。すなわち、夜間電力時間帯に、蓄熱ユニット２の顕熱蓄熱体に蓄熱動作を行わせる。

送風機制御部５２は、送風機４からの空気の吹き出し風量及び稼働時間等を制御する。送風機制御部５２は、夜間電力時間帯に顕熱蓄熱体へ蓄熱された熱を昼間に放熱させるために、昼間時間帯の適宜な時間に送風機４を駆動させる。

データ記憶部５３には、温風送風機制御部５１及び送風機制御部５２が各々温風送風機３及び送風機４を制御するに際して必要となる各種の動作条件データが格納される。

操作部６は、タッチパネルやキーボード等からなり、ユーザからの当該床下暖房システムに対する操作情報の入力を受け付ける。ユーザは、例えば居室１１の暖房温度等を、この操作部６を介して入力設定する。

次に、温風送風機３の動作条件について説明する。この動作条件は、夜間電力時間帯という限られた時間帯に温風送風機３を稼働させて顕熱蓄熱体に蓄熱させることを前提に、外気条件、居室１１の設定温度、住宅Ｈの熱性能に応じて決定される。

前記動作条件は、居室１１への熱供給が床下１２のみから行われると想定したときの、温風送風機３の稼働時における居室１１の熱収支を示す第１の関係式と、前記熱収支に基づいて、所定の外気温で温風送風機３を稼働させた状態における、居室１１を所定の設定温度とするための目標となる床下１２の温度を示す第２の関係式と、温風送風機３の稼働時に、前記顕熱蓄熱体が温風送風機３の吹き出し温度で加温され床下１２に熱が供給されると想定した場合における、目標床下温度を達成するために必要な熱量を示す関係式であって、前記吹き出し風量、吹き出し温度及び稼働時間を変数として含む第３の関係式に基づいて決定される。以下、これら第１〜第３の関係式の具体例を例示する。

＜第１の関係式＞
居室１１への熱供給は、床板１３を通して床下１２のみから行われ、温風送風機３の停止時には常に送風機４が稼動していると想定する。昼夜の外気変動を考慮すると、夜間電力時間帯における温風送風機３の稼動時の居室１１の熱収支は、下記（１）の条件式のように示される。

＜第２の関係式＞
夜間電力時間帯の温風送風機３の稼動時において、ある外気温度Ｔ^Oのときに、設定居室温度Ｔ^Rにするために目標とされる床下温度Ｔ^Cは、上記（１）式を変形した、下記（２）の条件式で示される。

＜第３の関係式＞
ここで、温風送風機３から顕熱蓄熱体（蓄熱ユニット２）に供給された熱は、送風機４の送風により１００％放熱されるとし、また、蓄熱ユニット２を通して床下１２に供給される熱量のうち、Ｒ×１００［％］が床板１３を通して居室１２へ熱移行すると扱う。このとき、居室１１の１日の室温を設定居室温度Ｔ^Rに保つために必要となる温風送風機３の動作条件、つまり温風送風機３の吹き出し風量、吹き出し温度の関係は、温風送風機稼動時間ｈが確定している場合においては、下記（３）の条件式で示される。

一方、温風送風機吹出し温度が確定している場合においては、第３の関係式は下記（４）の条件式で示される。

なお、温風送風機３に要求される暖房能力Ｗは、下記（５）の条件式に、温風送風機３の吹き出し風量Ｖ^HPと、温風送風機３の稼働時における床下温度Ｔ^Ｃを代入することで求められる。

以上のようにして決定される温風送風機３の動作条件に基づいて、温風送風機制御部５１は、温風送風機３を制御するものである。

続いて、本発明に係る床下暖房システムの実際の住宅への組み込み例について説明する。図３は、床下暖房システムが適用された住宅の床板部分を取り外して見た基礎構造体１００の上面図である。この基礎構造体１００は、基礎コンクリート１０１及び土間コンクリート１０２にて構築されており、前記基礎コンクリート１０１の高さに応じた床下１２の空間が形成されている。床下１２の空間は、居室のサイズ等に合わせて複数の床下空間に区画されている。ここでは、住宅の中心からみて、北西〜西方位の第１床下空間１２１、南西方位の第２床下空間１２２、南東方位の第３床下空間１２３、東方位の第４床下空間１２４及び北東方位の第５床下空間１２５が備えられている例を示している。

この基礎構造体１００は、いわゆる基礎断熱工法が採用されたもので、外周部を構成する基礎コンクリート１０１には換気口が備えられておらず、床下空間１２は閉鎖空間とされている。図示は省略しているが、基礎コンクリート１０１の周囲には断熱材が貼設されており、断熱が施されている。一方、第１〜第５床下空間１２１〜１２５を区画する基礎コンクリート１０１には連通部Ｗ１〜Ｗ５が設けられており、この連通部Ｗ１〜Ｗ５を介して第１〜第５床下空間１２１〜１２５は互いに連通状態とされている。なお、連通部Ｗ１〜Ｗ５は、床下空間１２のメンテナンス等の際における作業員の通路としても活用されるものである。

このような基礎構造体１００において、第１床下空間１２１には、第１蓄熱ユニット２Ａ及び第２蓄熱ユニット２Ｂと、ヒートポンプエアコン３０（温風送風機）と、第１送風ファン４Ａ及び第２送風ファン４Ｂ（送風機）とが据え付けられている。なお、ヒートポンプエアコン３０に対して、図示省略の室外機が備えられている。ヒートポンプエアコン３０が発する温風は、第１ダクト３１Ａ及び第２ダクト３１Ｂにより各々第１蓄熱ユニット２Ａ及び第２蓄熱ユニット２Ｂに導かれる。また、第１送風ファン４Ａ及び第２送風ファン４Ｂが発する風は、第３ダクト４１Ａ及び第４ダクト４１Ｂにより各々第１蓄熱ユニット２Ａ及び第２蓄熱ユニット２Ｂに導かれる。

図４は、第１蓄熱ユニット２Ａ（第２蓄熱ユニット２Ｂも同構造）の上面視の断面図、図５は側面視の断面図である。第１蓄熱ユニット２Ａは、筐体２１内に顕熱蓄熱体からなる薄板状の蓄熱プレート２２、２２、・・・が複数枚収納されてなる。

筐体２１は、その入口側２１Ｔと出口側２１Ｅとが開口した、断面矩形の各筒形状を有する筐体である。入口側２１Ｔには、第１ダクト３１Ａ（第２ダクト３１Ｂ）、及び第３ダクト４１Ａ（第４ダクト４１Ｂ）の出口側が接続されたチャンバー２３が密に取り付けられている。従って、ヒートポンプエアコン３０からの温風、並びに第１送風ファン４Ａからの風は、チャンバー２３内の空間２３Ｈを介して漏れなく筐体２１の入口側２１Ｔへ導入されるようになっている。

蓄熱プレート２２としては、例えば平板状に成形されたコンクリートブロック、煉瓦、モルタル等の顕熱蓄熱体が用いられる。市販品としては、例えばインターセントラル社の顕熱蓄熱材「フェオライト」を用いることができる。本実施形態で好適に用いることができる顕熱蓄熱体の物性の一例は、密度＝３７５０ｋｇ／ｍ^３、比熱＝９５４Ｊ／ｋｇＫ、熱伝導率＝２．７Ｗ／ｍｋ、表面積比＝１．５である。

かかる蓄熱プレート２２は、図４に示すように同一平面上に複数枚が並列配置されると共に、図５に示すように、その並列配置体２２Ｌが通気路２１Ｈとなる間隔を置いて複層に積層されている。なお、このような蓄熱プレート２２の並列・複層配置を可能とするために、図略のラックが筐体２１内に組み付けられている。

第１蓄熱ユニット２Ａがこのような内部構成を備えていることから、ヒートポンプエアコン３０からの温風が入口側２１Ｔから筐体２１へ導入されると、該温風が通気路２１Ｈを通る際に温風が持つ熱が各蓄熱プレート２２に与えられ、蓄熱プレート２２は蓄熱する。そして、熱交換後の温風は、筐体２１の出口側２１Ｅから第１床下空間１２１へ吹き出され、第１〜第５床下空間１２１〜１２５を加温する。

一方、各蓄熱プレート２２が蓄熱された状態で、第１送風ファン４Ａから常温の風が入口側２１Ｔから筐体２１へ導入されると、この風が通気路２１Ｈを通る際に蓄熱プレート２２が放熱する熱を与えられる。これにより、導入時は常温であった風が、温風となって筐体２１の出口側２１Ｅから第１床下空間１２１へ吹き出され、第１〜第５床下空間１２１〜１２５を加温する。

図３に戻り、ヒートポンプエアコン３０、若しくは第１送風ファン４Ａ及び第２送風ファン４Ｂの稼働により、上述の通り第１蓄熱ユニット２Ａ及び第２蓄熱ユニット２Ｂから温風Ｆ１、Ｆ２が第１床下空間１２１へそれぞれ吹き出される。その後温風Ｆ１、Ｆ２は、第１床下空間１２１において対流されると共に、連通部Ｗ１〜Ｗ５を通して他の床下空間、すなわち第２〜第５床下空間１２２〜１２５へも対流（循環）される。なお、本実施形態では、温風Ｆ１、Ｆ２の対流を促進するために、連通部Ｗ１、Ｗ２に小型の扇風機等からなる補助ファン７１、７２が配置されている例を示している。

ヒートポンプエアコン３０は、先に説明した温風送風機制御部５１（図２）と同様な制御部にて、その動作が制御される。また、第１送風ファン４Ａ及び第２送風ファン４Ｂは、送風機制御部５１と同様な制御部にて、その動作が制御される。そして、その動作条件としては、上述の（１）式〜（５）式にて決定される動作条件が選ばれるものである。

以上、本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更及び／又は改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。従って、当業者が実施する変更形態又は改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態又は当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

本発明の実施形態に係る床下暖房システムの住宅Ｈへの適用状態を概略的に示す図である。 床下暖房システムの電気的構成を示すブロック図である。 床下暖房システムが適用された住宅の床板部分を取り外して見た基礎構造体の上面図である。 蓄熱ユニットの上面視の断面図である。 蓄熱ユニットの側面視の断面図である。

１１ 居室
１２ 床下
１３ 床板
１４ 外壁
２、２Ａ、２Ｂ 蓄熱ユニット
２２ 蓄熱プレート
３ 温風送風機
３０ ヒートポンプエアコン（温風送風機）
４ 送風機
４Ａ、４Ｂ 第１送風ファン、第２送風ファン（送風機）
５ 制御部
５１ 温風送風機制御部
５２ 送風機制御部
Ｈ 住宅（基礎断熱住宅）

Claims (4)

1. 居室の床下を閉鎖空間とした基礎断熱住宅に適用される床下暖房システムであって、
   前記床下空間内に配置される顕熱蓄熱体と、
   前記顕熱蓄熱体に温風を吹き付けて蓄熱させる温風送風機と、
   前記温風送風機の吹き出し風量、吹き出し温度及び稼働時間を含む動作条件を制御可能な制御部と、を備え、
   前記動作条件は、
   前記居室への熱供給が前記床下のみから行われると想定したときの、前記温風送風機の稼働時における前記居室の熱収支を示す下記（１）の条件式と、
   前記熱収支に基づいて、所定の外気温で前記温風送風機を稼働させた状態における、前記居室を所定の設定温度とするための目標床下温度を示す下記（２）の条件式と、から導かれ、
   前記温風送風機が確定した稼働時間ｈで稼働される場合に、前記顕熱蓄熱体が前記温風送風機の吹き出し温度で加温され前記床下に熱が供給されると想定した場合における、前記目標床下温度を達成するために必要な熱量を示す関係式であって、前記吹き出し風量、吹き出し温度及び稼働時間を変数として含む下記（３）の条件式に基づいて決定されることを特徴とする床下暖房システム。
   

   

   

   
2. 居室の床下を閉鎖空間とした基礎断熱住宅に適用される床下暖房システムであって、
   前記床下空間内に配置される顕熱蓄熱体と、
   前記顕熱蓄熱体に温風を吹き付けて蓄熱させる温風送風機と、
   前記温風送風機の吹き出し風量、吹き出し温度及び稼働時間を含む動作条件を制御可能な制御部と、を備え、
   前記動作条件は、
   前記居室への熱供給が前記床下のみから行われると想定したときの、前記温風送風機の稼働時における前記居室の熱収支を示す下記（１）の条件式と、
   前記熱収支に基づいて、所定の外気温で前記温風送風機を稼働させた状態における、前記居室を所定の設定温度とするための目標床下温度を示す下記（２）の条件式と、から導かれ、
   前記温風送風機の稼働時に、前記顕熱蓄熱体が前記温風送風機の確定した吹き出し温度で加温され前記床下に熱が供給されると想定した場合における、前記目標床下温度を達成するために必要な熱量を示す関係式であって、前記吹き出し風量、吹き出し温度及び稼働時間を変数として含む下記（４）の条件式に基づいて決定されることを特徴とする床下暖房システム。
   

   

   

   
3. 蓄熱状態にある顕熱蓄熱体に送風することで、前記顕熱蓄熱体に蓄熱された熱の放熱を促進させる送風機をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の床下暖房システム。
4. 前記制御部は、前記温風送風機を夜間電力時間帯に稼働させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の床下暖房システム。
   

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